導讀：關于動力電池的技術路線如何選擇，圍繞圓柱、軟包和方殼的討論一直在持續；與此類似的是，在制造層面，鋰電池中段電芯裝配工序中，疊片技術和卷繞技術也處于長期競爭。
這兩種方案是圍繞電芯的空間利用率、電芯壽命、電芯制造效率和制造投資這幾個關鍵技術點的不斷博弈。
● 卷繞工藝
通過控制極片的速度、 張力、尺寸、偏差等因素，將分條后尺寸相匹配的極片及隔膜、終止膠帶等卷成極芯的一種生產工藝。
● 疊片工藝
是將極片與隔膜交替堆疊在一起，最終完成多層疊片極芯的一種生產工藝。
如下圖所示，就電池形態來看：軟包和刀片電池是圍繞疊片工藝來設計和生產的；方形電池既可以使用疊片工藝也能夠采用卷繞工藝，而目前中國的主要技術方向還是圍繞卷繞為主；圓柱電池作為一種成熟的產品形態，一直采用卷繞工藝。
▲圖1.卷繞和堆疊的方案
從中國的技術長期發展方向來看，隨著疊片技術的進步，大量電池企業開始從原有的卷繞工藝逐漸進入疊片時代。這里我們可以看一看蜂巢能源最近發布的一些信息。
一、蜂巢的疊片技術演進
我們首先來看看，疊片技術帶來的好處。
從最終電池產品來看，疊片形成的電池產品，能量密度更高、內部結構更穩定、安全性更高和壽命更長。
▲圖2.疊片的優勢
● 能量密度更高
從電芯內部來看，卷繞工藝的卷繞拐角部有弧度，空間利用率低一些，疊片工藝能夠充分利用電池空間，在相同體積的電芯設計下形成的電芯能量密度更高。
● 結構更穩定
電池使用過程中，鋰離子的嵌入會使得正負極片均會有膨脹，卷繞拐角處內外層內應力不一致，卷繞的電池會發生波浪狀變形，進而致電池的界面變差，電流分布不均，加速電池內部結構不穩定。
疊片工藝在電池的循環往復使用中，雖然也會膨脹，但總體來說，每層膨脹力相近，因此可保持界面平整。
● 安全性更高
卷繞下兩端極片折彎后涂層材料發生較大彎曲變形，折彎處容 易發生掉粉、毛刺問題。極片和隔膜所受拉力容易出現不均勻、產生褶皺，極片的膨脹和收縮、隔膜拉伸等都會導致電芯變形。而疊片電池受力均勻，在這個角度而言，電池安全性更高。
● 更長的循環壽命
疊片電池的極耳數量較多，電子傳輸距離越短，電阻越小，故疊片的電池內阻能夠降低，電池產熱小。而卷繞容易發生變形、膨脹等問題，影響電池衰減性能。
在國內做方殼電池的企業中，使用疊片工藝，蜂巢能源是第一家。2018年進入行業，蜂巢能源就一直倡導動力電池“從'卷時代'邁入'疊時代'”；2019年蜂巢能源首次亮相就展示其內部代號為“L600”的長疊片電芯，一期產線已提升至單工位0.6秒/片的生產效率；在當時的規劃中，疊片的速度路徑是0.6秒/片到0.45秒。蜂巢能源正式投產的二期，建設了首條“短刀”電池量產線，蜂巢Z字形疊片機，已經實現了0.45秒/片。
在目前這個時間節點，蜂巢自主研發的高速疊片技術3.0，采用極片熱復合與多片疊融合技術，通過技術創新在效率方面實現了顛覆性的突破，實現了0.125秒／片的疊片速度。這就使得整體的中段工藝得到了簡化，單位占地節省40%以上。同時，效率和精確性的提高，也解決了隔膜褶皺、對齊度不良等缺陷控制與監測痛點問題。
▲圖3.疊片技術的規劃和實現
二、高速疊片和短刀方案的搭配
疊片工藝和短刀方案是如何搭配起來，這個也需要來追溯一下。
蜂巢能源的短刀電池L600疊片磷酸鐵鋰電芯，長度約600mm，已在蜂巢能源常州金壇工廠正式量產下線——單體能量密度達到175Wh/kg，循環壽命超過4000次，快充0-80%SOC，充電時間小于45分鐘。這種電池以前因工藝原因，在生產過程中一直受疊片效率相對較低的影響。但通過設備集成——在疊片設備上多片同時切、同時疊，實現了更簡單機構的高效產出，在單機設備成本幾乎不變的情況下，效率提升超過200%。這就使得短刀電池的設計和高速疊片的配合實現了很好的“化學反應”。
▲圖4.短刀電池序列
目前蜂巢能源是全部轉向了“短刀”電池序列，在這方面能看到的好處主要體現在設計層面，比如體積能量密度高、可以作為結構件做CTP，降低成本，易于散熱，安全性好。
而從“短刀”的適配性，也確實通過L300、L400、L500和L600，存在多個不同的尺寸長度合理，能夠適配80％以上的乘用車，還能在不同應用環境下使用。在之前，主要的瓶頸在大規模生產階段。通過這次工藝的導入，生產工藝也更好實現，做到更高的良品率。這是通過集成化的技術來實現的，集成了極片放卷、裁切、疊片CCD在線監測、熱壓功能，縮短了極片卷料到疊片之間的片料轉運，降低極片裁切到疊片間的加工精度差，大幅提升了良品率。
在這里，我們也在思考，短刀為什么與疊片技術的搭配堪稱完美呢？
我們能看到，刀片的設計不太適用于卷繞工藝。從實踐來看，卷繞的長度不能超過300mm。目前量產的卷繞工藝支持的電芯長度在280mm-300mm，而這個尺寸形態目前是方殼的主要覆蓋范圍。
通過工藝設計，蜂巢的疊片工序的對齊度精度是±0.3mm，而疊片速度0.125秒。短刀電池的技術優勢和制造成本優勢更加明顯，高性能的短刀電池與高效能的高速疊片技術結合，這套解決方案就形成了一個閉環。
三、技術方案展望
圓柱、方殼、軟包的發展方向，還是不同的企業根據自身的情況進行不同的選擇。各自有優勢。
從目前的技術場景來看：
● 圓柱：4680標準化，卷繞，單個電芯的制造速度再提高，使用場景拓寬。
● 軟包：往短刀和長刀過渡，使用疊片是具有更大優勢的。
● 方殼：如果保持現有的尺寸，繼續使用卷繞是合理的選項；但發展成方殼疊片過渡尺寸，成為短刀和長刀后，會自然地采用疊片工藝。
▲圖5.不同的技術路線的選擇
綜合制造效率和成品率來評估兩種技術路線：
● 潛力最大的是卷繞大圓柱，最主要的圍繞成熟工藝開始導入干電極的工藝，我們有很大的想象空間。
● 發展最快是疊片：隨著蜂巢能源在疊片技術的不斷創新以及中航、億瑋鋰能等動力電池企業的持續跟進，中國的電池企業都朝著超級疊片+刀片電池方案開始設計，這塊的潛力最大。
● 發展走向平穩是卷繞：方殼卷繞保持現狀，我們也看到了在原有的產能建設方面，這條路線是最大的。
四、小結
電池企業圍繞工藝選擇要做取舍，但是走勢越來越清晰，隨著技術創新的發展，動力電池TWh大規模制造時代是每個電池企業不可回避的點，誰能做好這點，就能在動力電池成為大規模標準化產品階段找到自己的立足根本。
來源：汽車電子設計 作者：朱玉龍
